F6系统无线电能传输的优化分析

摘要：实现航天器模块之间的电能传输，对未来卫星的设计将产生重要的影响，而无线电能传输技术被认为是F6(分离模块)系统中成熟度最低的技术。采用电流型谐振耦合传输系统，研究了系统的电能传输效率特性，提出了加入阻抗变换电路来改变负载等效阻抗的方法，改善了系统的电能传输效率。
关键词：F6系统；阻抗变换；效率优化；Buck-Boost电路

0 引言
“分离模块航天器”(F6)英文全称为：Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-Flying Spacecraft United byInformation Exchange，直译为通过信息交换连接的“未来、快速、灵活、分离模块、自由飞行航天器”。分离模块空间系统组成决定了单个分离模块提供的能量不能满足大功率设备的能量消耗，需要无线电能传输模块为其提供能量，因此无线电能传输是分离模块空间系统的重要组成部分，也是分离模块系统功能实现的保障。
在研究无线电能传输机理的基础上，构建系统分析的等效互感模型，对各种谐振拓扑和工作模式下的电能传输系统的传输特性进行了全面分析，给出了一种适用于谐振耦合电能传输系统的分析方法，采用Buck-Boost电路进行优化等效阻抗，从而实现整个系统电能输出的性能的最优化。

1 电流型谐振耦合传输系统
谐振耦合电能传输技术利用了电磁感应理论与松耦合变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微电子技术，实现了电能的非接触式传输，典型的磁谐振耦合电能传输技术的原理框图如图1所示。系统主要由工频整流滤波电路部分、高频逆变电路部分、磁共振耦合部分、接收线圈的整流及稳压部分、用电设备的供电控制部分等五部分组成。为了减少系统的无功功率容量，提高系统的传输效率，通常对原、副边电感采用谐振补偿的方式来提高系统传输效率，但是采用补偿网络以后系统很容易发生失谐，失谐条件下，很难完成电能的有效传输，原因主要有：线圈内阻、开关损耗、负载阻抗变化等。这些因素在频率较低时对传输效率的影响不明显，但系统高频(MHz)工作时它们的影响却不能忽视。其中，线圈内阻和开关损耗都能改进，负载阻抗的变化则需要通过特定的电路设计来优化。

2 基于阻抗变换的效率优化
在接收电路之后加入整流和Buck-Boost环节，如图2所示。副边接收电压经过电容Cs谐振补偿，再经过整流滤波电路之后，得到直流电U1，该直流电经过Buck-Boost环节后给负载RL供电，其输出电压为Uo。其中，Ropt是谐振网络之后的等效电阻，随着传输距离的改变而变化，R1为整流滤波电路之后的等效电阻，是固定值。

设Buck-Boost电路的占空比为δ(0δ1)，根据能量守恒定律：

δ的取值范围为0～1，对于不同的负载RL，都可得到相应的占空比。
但如果占空比太小，电感电流容易出现断续。对于Buck-Boost电路，其工作于连续导电模式下的条件为：

式中：Lf是Black-Boost电路中的电感；fS为Buck-Boost电路的工作频率。
即占空比δ还需满足：

通过控制Buck-Boost环节中功率开关的导通和断开时间来调整占空比δ，使得交流等效阻抗Ropt与输入阻抗共轭匹配，从而实现传输效率的最优化。

3 基于阻抗变换的仿真分析
为了验证阻抗变换电路对效率分析的正确性，根据图2所标注的元器件参数值，可求得系统此时的优化负载电阻值Ropt=32 Ω。由公式(4)可计算出δ=0．416，取占空比为0．4，用PSpice进行瞬态分析，得到Buck-Boost调压环节的仿真结果，如图3所示。

式中：W(Lf)是电感的功率；I(Lf)是电感电流；V(Cf：2)是输出电压；V(Lf：1)是电感电压。电感电流始终为正值，说明该电路工作在连续状态。
由波形图可以看出，电路在4～29μs时段之间的工作过程是Buck-Boost电路的第一个工作周期，此后电路重复上述过程继续工作，一直到稳定状态。在此过程中，电感开始是存储的能量大于释放的能量，直到电感吸收的能量等于其释放的能量，电感进入稳定状态；电容也是一样，只是除了自身存储能量以外，还要在开关闭合时给负载提供能量，直到电容充电能量等于放电能量时，电容进入稳定工作状态，输出电压稳定。稳定时负载上的电气特性如图4所示。

由图可以看出，电感电流为锯齿波，负载两端的电压稳定在40 V附近，而且功率也在70 W保持不变，这非常有利于电能的无线传输，而且稳定工作时的效率很高。
为了说明加入Buck-Boost电路以后系统的优越性，也做了一组不加阻抗变换电路的实验，如图5所示。

由图5可以看出，加入阻抗变换电路之前，系统的传输功率大概在15 W左右；加入阻抗变换电路后，对于同样阻抗的负载RL